第8章 超声波传感器.ppt
2023/8/7,1,第8章 超声波传感器,主要学习超声波的物理特性，着重了解超声波在检测技术中的一些应用，也涉及无损探伤的设备及方法。,2023/8/7,2,目 录,概述一、超声波物理基础二、超声波换能器及耦合技术 三、超声波传感器的应用四、超声波无损探伤,2023/8/7,3,概述：声波的分类1.次声波,次声波是频率低于20Hz的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。,2023/8/7,4,2.可听声波(20HZ-20KHZ),美妙的音乐可使人陶醉。,2023/8/7,5,3.超声波20KHZ,蝙蝠能发出和听见超声波。,2023/8/7,6,蝙蝠依靠超声波捕食,2023/8/7,7,超声波与可听声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。,超声波雾化器,超声波加湿器,2023/8/7,8,压电陶瓷或磁致伸缩材料在高电压窄脉冲作用下，可得到较大功率的超声波，可以被聚焦，能用于集成电路及塑料的焊接。,超声波塑料焊接机,2023/8/7,9,超声波金丝焊接机,2023/8/7,10,超声波被聚焦后，具有较好的方向性，在遇到两种介质的分界面时，能产生明显的反射和折射现象，这一现象类似于光波。,便携式超声波探鱼器,2023/8/7,11,工作原理：传感器探头发射超声波信号，遇到水底或鱼群会反射回信号，然后检测反射信号，处理数据，得出水底深度、鱼所在水层。,2023/8/7,12,岸钓中的横扫描,2023/8/7,13,探鱼器在冰钓中的使用,2023/8/7,14,探鱼器在船钓中的使用,2023/8/7,15,2023/8/7,16,超声波在医学检查中的应用,胎儿的 B超影像,2023/8/7,17,三维B超医学影像工作站三维超声医学影像工作站是由三维超声图像处理软件、计算机、高速图像采集卡、彩色打印机等组成，在普通B超扫描成像的基础上，形成三维影像并可进行影像存储、回放及形成诊断报告等功能的装置。三维超声成像能单独显示感兴趣结构的立体形态和内部结构，它可使医师获得更多的组织信息，以作出更全面、更准确的分析。具有很高的临床和研究价值。三维超声工作站能打印精美的三维图像报告，特别是胎儿的图像，是孩子的第一张照片，有极高的纪念意义，可以是医院经济效益创收的一种手段。,2023/8/7,18,三维超声医学影像工作站特点：1.只需一根视频线进行连接，不影响原有B超的任何功能。2.三维成像速度快，三维影像扫描时间为45秒，成像时间小于1秒。3.图像清晰，能清晰显示胎儿的体态、五官、脸形、四肢等，便于诊断胎儿畸形。4.可在三维图像中提取任一剖面、方位、角度进行分析。5.可方便地去除多余组织图像，突出感兴趣区。6.可对图像进行放大、缩小、图片反转、角度变换等处。7.图像有多达4种颜色变换以供选择。8.超声专业术语数据库，方便行成诊断报告。9.可进行资料存档，供您随时调用、分析。10.图文一体化的报告。,2023/8/7,19,2023/8/7,20,超声波用于高效清洗,当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，即液体体积增加，液体中分子空隙加大，形成许多微小的气泡；而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，即液体体积被压缩减小，液体中形成的微小气泡被压碎。经研究证明：超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压的压力，这种现象被称之为“空化作用”。超声波清洗正是利用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。超声清洗多用于半导体、机械、玻璃、医疗仪器等行业。,2023/8/7,21,超声波清洗原理及清洗器,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,2023/8/7,22,一、超声波物理基础,频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象。超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。,2023/8/7,23,超声波的波型分类,超声波的传播波型主要可分为纵波、横波、表面波等几种。,横波是指震动方向与传播方向相垂直的波横波是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。可以这样理解，如果我们手拿平铺在地上的绳子的一端，并上下抖动(振动)绳子，这时形成的波，呈水平方向向前传播。振动方向垂直于地面，而且传播方向水平向前，这就是横波。纵波是指震动方向与传播方向相同的波 纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波。如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是一致的，声波是纵波。,2023/8/7,24,纵波,2023/8/7,25,横波,2023/8/7,26,地 震,地震：是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地面震动（即地震）的主要原因 据统计，地球上每年约发生500多万次地震，即每天要发生上万次地震。其中绝大多数太小或太远以至于人们感觉不到；真正能对人类造成严重危害的地震大约有一二十次；能造成特别严重灾害的地震大约有一两次。,2023/8/7,27,2023/8/7,28,2023/8/7,29,2023/8/7,30,2023/8/7,31,2023/8/7,32,地震：动物的先兆,是否有科学道理？你信吗？,2023/8/7,33,李善邦研制的中国第一台现代地震仪器，1939年,张衡地动仪复原模型：50年度2002-2008,2023/8/7,34,古今中外地震死亡人口之最：大约1201年7月，近东和地中海东部地区的所有城市都遭地震破坏，死人最多,估算约达110万。1556年1月23日发生在中国陕西华县的8.0级地震造成的死亡人数比前者确凿一些，广大灾民病死、饿死，数百里山乡断了人烟，估计死亡83万余,2023/8/7,35,世界上第一次成功地预报并取得明显减灾实效的地震：1975年2月4日，海城地震（中国的地震工作者成功地预报，被世界科技界称为“地震科学史上的奇迹”）世界上最大的地震海啸：1971年4月24日发生在日本琉球群岛中的石垣岛（估计巨大海浪的波峰高达84.7米，排山倒海的巨浪将重量达850吨的整珊瑚礁抛出2.092公里以上。这次海震所击起的海浪，据测它的行进速度为每小时788.557公里,2023/8/7,36,世界上有仪器记录的最大地震：1960年5月22日19时11分，智利地震（8.9级，因计算方法不同，也有9.5级的说法）40。世界最典型的城市“直下型地震”：1976年的中国唐山地震和1995年的日本阪神地震,2023/8/7,37,表面波所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将产生与压力成正比的电场的现象。具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表面波。,声表面波SAW（SurfaceAcousticWave）就是在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。,一个实心的物体遭受撞击时，可以测出两种波，一种是纵波，一种是表面波，而空心的物体只能测到表面波。“纵波”是一种穿透波，可以穿透物体，由表面的一边经过物体中心传导到另一边。“表面波”如同它的名字一样，只能在极浅的表面传递。但是，放置在月球上的月震仪，经过长时间的记录，都没有记录到纵波，全部都是表面波。根据这个现象，科学家非常惊讶地发现：月球是空心的！,2023/8/7,38,二、超声波换能器及耦合技术,超声波换能器又称超声波探头。超声波换能器的工作原理有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，在检测技术中主要采用压电式。超声波探头又分为直探头、斜探头、双探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水浸探头、高温探头、空气传导探头以及其他专用探头等。,2023/8/7,39,各种超声波探头,常用频率范围：0.510MHz，常见晶片直径：530mm,接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,2023/8/7,40,接触式 直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,2023/8/7,41,接触式斜探头（横波、瑞利波或兰姆波探头）,压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波将产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，可产生多次反射，而传播到较远处去。,底部耐磨材料,接插件,2023/8/7,42,各种接触式斜探头,常用频率范围：15MHz,2023/8/7,43,接触法双晶直探头,将两个单晶探头组合装配在同一壳体内，其中一片发射超声波，另一片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,发射晶片,接收晶片,2023/8/7,44,各种双晶直探头,焦距范围：540mm,频率范围：2.55MHz，钢中折射角：45 70,2023/8/7,45,接触法双晶斜探头（续）,2023/8/7,46,水浸探头（可用自来水作为耦合剂）,选择声透镜形状，可决定聚焦形式为点聚焦或线聚焦。,2023/8/7,47,聚焦探头,由于超声波的波长很短（毫米数量级），所以它也类似光波，可以被聚焦成十分细的声束，其直径可小到1mm左右，可以分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头。聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波；也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜；也可以利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。,2023/8/7,48,超声波探头中的压电陶瓷芯片,将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。,2023/8/7,49,压电陶瓷的主要性能指标,1)介电常数：10006000 2)压电灵敏度D33：300600pC/N 3)机械品质因素Q：1002000 4)居里温度：300400 C 5）静电容：1000 100000pF（与面积有关）6）频率范围：用于超声清洗：30100KHz 用于探伤仪及流量计：2.55MHz 用于雾化器：12MHz,2023/8/7,50,耦合剂,超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。,2023/8/7,51,空气超声探头,a）超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,2023/8/7,52,空气超声探头（续）,2023/8/7,53,空气超声探头外形,空气超声探头外形（续）,2023/8/7,55,空气传导超声波电脉冲发生器,2023/8/7,56,三、超声波传感器的应用,当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,2023/8/7,57,超声波传感器应用举例,2023/8/7,58,超声波传感器应用举例（续）,2023/8/7,59,超声波传感器应用举例（续）,质量检查,紧固件的安装错误检测,2023/8/7,60,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,2023/8/7,63,机械手定位,超声波传感器应用举例（续）,2023/8/7,64,纸卷直径检测,超声波传感器应用举例（续）,2023/8/7,65,平整度测量,超声波传感器应用举例（续）,2023/8/7,66,超长距离检测,超声波传感器应用举例（续）,2023/8/7,67,流水线计数,超声波传感器应用举例（续）,2023/8/7,68,超声波流量计,F1发射的超声波先到达 T1,2023/8/7,69,测量流量原理分类,时间差法测量流量原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的时间差t，可得到流体的平均速度及流量。,2023/8/7,70,F1发射的超声波到达 F2的时间较短,频率差法测量流量原理：F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个声脉冲。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器，可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与被测流速v成正比。,F2,F1,2023/8/7,72,发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧,2023/8/7,73,同侧式超声波流量计的使用,（参考北京菲波仪表有限公司资料）,2023/8/7,74,超声波流量计现场使用,2023/8/7,75,超声波多普勒测量车速,2023/8/7,76,多普勒效应,前进方向的频率升高,如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。,2023/8/7,77,超声波多普勒测量风速,风,风引起超声波的频率变大或变小,2023/8/7,78,超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。,2023/8/7,79,超声波测厚,双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度：,2023/8/7,80,手持式超声波测厚仪,2023/8/7,81,某超声波测厚仪指标（参考北京北方大河仪器仪表有限公司资料）,显示方法128*32 LCD 点阵液晶显示（带背光）显示位数：四位 测量范围：0.8200mm 示值精度：0.1mm 声速范围：1000 9999m/s 测量周期：2次/秒 自动关机时间：90秒 电源：二节七号（AAA）电池，可连续工作不少于72小时 使用温度：-10C 40C 存储温度：-20C 70C 外形尺寸：108x61x25mm 重量：230g（含电池）,2023/8/7,82,超声波测厚,石料测厚,2023/8/7,83,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,2023/8/7,84,双晶超声波测厚探头,2023/8/7,85,双晶超声波测厚探头（续）,2023/8/7,86,超声波测量液位和物位原理,在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。,2023/8/7,87,超声波液位计原理,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,2023/8/7,88,超声波测量液位和物位,喇叭形 超声发生器,2023/8/7,89,超声防盗报警器,图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。,2023/8/7,90,四、超声波无损探伤,一、无损探伤的基本概念 人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。,路轨断裂事故,2023/8/7,91,无损探伤的方法,对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（x光、中子）照相检测法、超声波探伤法等。,2023/8/7,92,磁粉检测法,磁悬液,磁粉检测仪,将磁悬液喷洒在工件表面，将磁粉检测头夹持在被测工件上，通以数百安培的电流，工件中将产生磁场，工件表面的裂纹可因磁粉的不均匀分布而显示出来。,2023/8/7,93,X光探伤,将X光发生器对准被测位置，将感光片贴在物体背面，人离开后通上高压电，再将感光片冲洗出影像，即可观察到缺陷。,2023/8/7,94,计算机断层成像技术(CT)探伤,计算机断层成像技术(CT)是一种重要的 无 损 检 测 技 术，是物理学与计算机科学的发展产物。它是基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像，全面解决了传统 x射线摄影装置的影像重叠、密度分辨率低等缺点。,2023/8/7,95,CT探伤成像（参考中国工程物理研究院应用电子学研究所资料）,2023/8/7,96,超声波探伤,超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。,A型超声探伤反射波形,裂纹,2023/8/7,97,A型超声波探伤,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,2023/8/7,98,钢轨探伤车,滑板式探头,2023/8/7,99,高速钢轨探伤车,铁路钢轨探测用的滚轴式探头（也称做轮式探头）,2023/8/7,100,铁路钢轨探头,铁路钢轨对接焊缝探测用探头,缺陷,铁路钢轨探伤用滑板式探头,焊缝,2023/8/7,101,管道环焊缝超声波检测装置,管道环焊缝超声波检测装置原理,2023/8/7,102,超声探伤仪,2023/8/7,103,构件的超声探伤,2023/8/7,104,构件的超声探伤（续）,2023/8/7,105,构件的超声探伤,2023/8/7,106,探头回波脉冲形状和频谱包络,2023/8/7,107,END,
